ANALISIS KEHILANGAN ENERGI AKIBAT VARIASI TINGGI AMBANG LEBAR PADA SALURAN TERBUKA
(UJI MODEL LABORATORIUM)
Oleh :
LUKMANG ALWAHIDIN
10581 1664 12 10581 1671 12
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK SIPIL
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAKASSAR MAKASSAR
2017
(UJI MODEL LABORATORIUM)
Skripsi
diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana Program Studi Teknik Pengairan
Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik
Disusun dan diajukan oleh :
LUKMANG ALWAHIDIN
10581 1664 12 10581 1671 12
PADA
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAKASSAR MAKASSAR
2017
v
Analisis Kehilangan Energi Akibat Variasi Tinggi Ambang Lebar Pada Saluran Terbuka (Uji Model Laboratorium) dibimbing oleh Riswal K dan Nurnawaty.
Pada irigasi, sering kita dapatkan bangunan ambang lebar. Ketika air mengalir melewati bangunan ambang lebar terjadi fenomena hidrolis menyebabkan kondisi aliran mengalami kehilangan energi sehingga dapat memicu kerusakan pada ambang lebar. Tujuan dari penelitian ini untuk pengembangan pemahaman akan karakter aliran ambang lebar. Metode pada penelitian ini menggunakan saluran terbuka berbentuk segi empat dengan ambang lebar dengan model variasi tinggi yang berbeda-beda dengan ketinggian 1cm-5cm serta tinggi muka air yang divariasikan dari 1cm-3cm. Penelitian ini meninjau pada ketinggian air di hulu (Y0) dan di hilir (Y3) serta kecepatan aliran di hulu (V0) dan di hilir (V3), untuk setiap pengukuran dilakukan ditinggi arus pada bagian yang bervariasi. Hasil penelitian menunjukkan kehilangan Energi spefisik maksimum di hulu sebesar 0.086 m/det dan minimum sebesar 0.024 m/det serta energi spefisik maksimum di hilir sebesar 0.017 m/det dan minimum 0.007 m/det serta kehilangan energi total (∆ ) terkecil dengan jumlah 0,013 m/det sebaliknya kehilangan energi total (∆ ) terbesar dengan jumlah 0,071 m/det. Dari hasil penilitian di atas menunjukkan bahwa kehilangan energi besar pengaruhnya dalam sebuah perencanaan bangunan air ambang lebar.
Kata kunci : Saluran Terbuka, Kehilangan Energi, Ambang Lebar
ABSTRACT
Analysis of Energy Loss due to High Variation of Wide Threshold on Open Channels (Laboratory Model Test) is guided by Riswal K and Nurnawaty. At irrigation, we often get wide building threshold. When water flows through the building wide threshold hydraulic phenomenon causes the flow condition to lose energy so that it can trigger damage to the wide threshold. The purpose of this research is to develop an understanding of wide threshold flow characteristics.
The method used in this study was a wide rectangular open channel with different height variation model with height 1cm-5cm and water level varied from 1cm- 3cm. This study looked at water levels upstream (Y0) and downstream (Y3) as well as upstream velocity velocity (V0) and downstream (V3), for each measurement carried out at a current level in the varying sections. The results showed that the maximum spheisk energy loss upstream of 0.086 m/s and minimum of 0.024 m/s and maximum downstream spheisk energy of 0.017 m/s and minimum 0.007 m/s and the least total energy loss (ΔE) m/s otherwise the largest total energy loss (ΔE) with the amount of 0.071 m/s. From the results of the study above shows that the loss of energy great influence in a waterproof building planning threshold.
Keywords: Open Channel, Energy Loss, Wide Threshold
vi Assalamualaikum, Wr. Wb
Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Skripsi ini dengan baik.
Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu persyaratan yang harus dipenuhi dalam rangka menyelesaikan Program Studi pada Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar. Adapun judul tugas akhir kami adalah: “Analisis Kehilangan Energi Akibat Variasi Tinggi Ambang Lebar Pada Saluran Terbuka (Uji Model Laboratorium)”
Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis mendapatkan banyak masukan yang berguna dari berbagai pihak sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan.
Oleh karena itu dengan segala ketulusan serta keikhlasan hati, kami mengucapkan terima kasih kepada bapak Riswal K. ST.,MT. selaku pembimbing I dan Ibu Ir.
Hj. Nurnawaty, MT. selaku pembimbing II, yang telah meluangkan banyak waktu, memberikan bimbingan dan pengarahan sehingga terwujudnya tugas akhir ini.
Demikian pula ucapan terima kasih kepada bapak Ir. Hamzah Al Imran, ST., MT. sebagai Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar dan bapak Muh. Syafaat S. Kuba, ST. sebagai Ketua Jurusan Sipil Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar.
Selanjutnya ucapan terima kasih kepada bapak dan Ibu dosen, serta staf pegawai pada Fakultas Teknik atas segala waktunya telah mendidik dan melayani
vii Makassar.
Ucapan Terima kasih juga kepada Ayahanda dan ibunda tercinta yang senantiasa memberikan limpahan kasih sayang, doa, serta pengorbanan kepada penulis, dan rekan-rekan mahasiswa Fakultas Teknik, terkhusus Saudaraku angkatan 2012 dengan rasa persaudaran yang tinggi banyak membantu dan memberi dukungan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
Pada akhir penulisan tugas akhir ini, penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu penulis meminta saran dan kritik sehingga penyusunan tugas akhir ini dapat menjadi lebih baik dan menambah pengetahuan kami dalam menulis laporan selanjutnya. Semoga laporan tugas akhir ini dapat berguna bagi penulis khususnya dan untuk pembaca pada umumnya.
Wassalamu`alaikum, Wr. Wb.
Makassar, 25 April 2017
Penulis
viii
Halaman
HALAMAN JUDUL ...i
PENGESAHAN...iii
HALAMAN PENGESAHAN...iv
ABSTRAK ... v
KATA PENGANTAR...vi
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR TABEL ... x
DAFTAR GAMBAR...xi
DAFTAR PERSAMAAN... xiii
DAFTAR NOTASI SINGKATAN ...xiv
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang ... 1
B. Rumusan Masalah ... 2
C. Tujuan Penelitian... 3
D. Manfaat Penelitian... 3
E. Batasan Masalah ... 3
F. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Saluran Terbuka ... 6
B. Aliran Saluran terbuka ... 8
C. Kehilangan Energi... 14
ix
E. Jenis-Jenis Karateristik Aliran... 20
F. Aliran Atas ... 20
BAB III METODE PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian ... 22
B. Jenis Penelitian dan Sumber Data ... 22
C. Desain Penelitian... 23
D. Variabel Yang Diteliti ... 25
E. Prosedur Penelitian ... 26
F. Analisis Data... 27
G. Bagan Alir Penelitian... 29
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Menghitung Debit Pengaliran Tanpa Ambang... 30
B. Menentukan Ketinggian Air... 30
C. Menghitung Energi Spesifik... 33
D. Menghitung Bilangan Froude (FR)... 39
BAB V PENUTUP A. Kesimpulan ... 43
B. Saran... 43
DAFTAR PUSTAKA... 45 LAMPIRAN
x
Nomor Hal.
1. Jenis-jenis karakteristik aliran...20
2. Perhitungan debit ...30
3. Tinggi Muka Air ...31
4. Perhitungan Nilai Energi Spesifik Di Hulu ...34
5. Perhitungan Nilai Energi Spesifik Di Hilir...36
6. Perhitungan Nilai Kehilangan Energi (∆E)...38
7. Perhitungan Nilai Bilangan Froude ...40
xi
Nomor Hal.
1. Definisi potongan melintang dan memanjang saluran ...6
2. Energi aliran saluran terbuka dan sketsa tekanan udara...8
3. Aliran laminer...13
4. Aliran turbulen ...13
5. Garis energi dan profil aliran di sekitar lengkungan ...16
6. Fungsi parametric perc. koef. hambatan lengkungan...17
7. Parameter energi spesifik ...18
8. Profil aliran melalui ambang lebar ...19
9. Aliran di atas ambang lebar...20
10. Tampak atas alat penelitian ...24
11. Potongan saluran ...24
12. Model ambang lebar...25
13. Bagan Alir ...29
14. Grafik hubungan tinggi muka air hulu (Y0) dengan variasi tinggi ambang lebar (P) ...32
15. Grafik hubungan tinggi muka air hilir (Y3) dengan variasi tinggi ambang lebar (P) ...32
16. Grafik hubungan Energi Hulu (E) dengan variasi tinggi ambang lebar (P)...35
17. Grafik hubungan Energi Hilir (E) dengan variasi tinggi ambang lebar (P)...37
xii
tinggi ambang lebar (P) ...39 19. Grafik hubungan kecepatan aliran dengan nilai bilangan Froude.….…….41 20. Grafik hubungan variasi tinggi ambang dengan nilai bilangan Froude ...41
xiii
Halaman
Persamaan 1 : Persamaan Kontinuitas ...9
Persamaan 2 : Persamaan Bernoulli...9
Persamaan 3 : Persamaan Menghitung Nilai Bilangan Froude ...11
Persamaan 4 : Persamaan Froude Pada Prototipe Atau Model ...11
Persamaan 5 : Persamaan Hambatan Lengkungan ...16
Persamaan 6 : Energi Spesifik ...18
Persamaan 7 : Persamaan Energi Secara Umum...18
Persamaan 8 : Persamaan Energi Untuk Saluran Datar ...18
Persamaan 9 : Persamaan Energi Spesifik ...19
Persamaan 10 : Persamaan Besar Kehilangan Energi ...19
Persamaan 11 : Persamaan Besar Kehilangan Energi ...19
xiv Qs = Debit aliran pada saluran
Q = Debit aliran pada ambang lebar A = Luas penampang basah saluran VS = Kecepatan aliran permukaan VP = Kecepatan aliran
Fr = Bilangan Froude
∆E = Kehilangan Energi
g = Percepatan gravitasi (Nilai gravitasi bumi = 9,81 m/dtk) h = Tinggi Muka Air Sebelum dibendung
L = Panjang Ambang Lebar (Bendung) b = Lebar dasar saluran
E = Energi Spesifik t = Waktu pengaliran P = Variasi tinggi ambang Yo = Kedalaman air di hulu Y3 = Kedalaman air di hilir s = Jarak/Panjang Flume α = Koefisien Modifikasi
P1 = Variasi Tinggi Ambang 1 cm P2 = Variasi Tinggi Ambang 2 cm P3 = Variasi Tinggi Ambang 3 cm
xv P5 = Variasi Tinggi Ambang 5 cm H1 = Variasi Tinggi Muka Air 1 cm H1,5 = Variasi Tinggi Muka Air 1,5 cm H2 = Variasi Tinggi Muka Air 2 cm H2,5 = Variasi Tinggi Muka Air 2,5 cm H3 = Variasi Tinggi Muka Air 3 cm
1
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Saluran terbuka adalah saluran yang mengalirkan air dengan permukaan bebas. Saluran terbuka dapat terjadi dalam bentuk yang bervariasi cukup besar, mulai dari aliran di atas permukaan tanah yang terjadi pada waktu hujan, sampai aliran dengan kedalaman air konstan dalam saluran prismatis. Masalah aliran saluran terbuka banyak dijumpai dalam aliran sungai, aliran saluran-saluran irigasi, aliran saluran pembuangan dan saluran-saluran lain yang bentuk dan kondisi geometrinya bermacam-macam.
Pada saluran terbuka banyak dijumpai bangunan air salah satunya alat ukur ambang lebar yang berfungsi sebagai bangunan pengukur debit dimana kehilangan tinggi energi merupakan hal pokok yang menjadi bahan pertimbangan.
Bangunan ini biasanya ditempatkan di awal saluran primer, pada titik cabang saluran besar dan tepat di hilir pintu sorong pada titik masuk petak tersier.
Dalam beberapa kondisi aliran yang menyebabkan kehilangan energi pada ambang lebar ialah akibat tingginya permukaan air hulu yang sering berubah-ubah dikarenakan intensitas hujan yang begitu besar serta tinggi ambang yang tidak sesuai, Selalu memicu kehilangan energi pada saat air mengalir. Akibatnya aliran air yang mengalir pada ambang lebar menyebabkan gerusan yang terjadi pada bagian hulu dan hilir ambang.
Sebab itu kehilangan energi perlu dipertimbangkan dalam pembangunan bangunan air seperti ambang lebar, apabila hal ini tidak dipertimbangkan akan memicu kerusakan pada ambang lebar yang sangat signifikan dan berdampak pada kesulitan memenuhi air untuk kebutuhan persawahan.
Karena itu sangat diperlukan suatu gambaran tentang suatu fenomena hidrolis aliran yang melewati bangunan-bangunan tersebut. Hal ini dapat dilakukan melalui suatu penelitian terhadap aliran melalui saluran terbuka berukuran kecil yang melewati berbagai bentuk model bangunan. Dengan fenomena aliran yang diperoleh, maka dapat dikembangkan kajian yang lebih lanjut terhadap bangunan-bangunan prototype sebagai suatu acuan perencanaan, dimana parameter-parameter yang digunakan dalam penelitian tersebut dapat diterapkan dalam perencanaan di lapangan.
Maka dengan alasan ini kami tertarik untuk mengadakan penelitian sebagai Tugas Akhir dengan judul: “Analisis Kehilangan Energi Akibat Variasi Tinggi Ambang Lebar Pada Saluran Terbuka (Uji Model Laboratorium)”.
B. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah maka rumusan masalah penelitian ini adalah:
1) Bagaimana energi spesifik di hulu serta hilir untuk setiap variasi tinggi ambang lebar pada saluran terbuka ?
2) Bagaimana kehilangan energi (∆E) akibat variasi tinggi ambang lebar pada saluran terbuka ?
3) Bagaimana pengaruh variasi tinggi ambang lebar terhadap kehilangan energi pada saluran terbuka ?
C. Tujuan Penelitian
Berdasarkan rumusan masalah penelitian ini bertujuan :
1) Untuk Mengetahui jumlah energi di hulu serta hilir untuk setiap variasi tinggi ambang lebar pada saluran terbuka.
2) Untuk Mengetahui jumlah kehilangan energi (∆E) akibat variasi tinggi ambang lebar pada saluran terbuka.
3) Untuk Mengetahui pengaruh variasi tinggi ambang lebar terhadap kehilanagan energi pada saluran terbuka.
D. Manfaat Penelitian
Manfaat secara teoritis dari penelitian ini adalah untuk pengembangan pemahaman akan karakter aliran pada ambang lebar (aliran atas), sehingga dijadikan bahan pertimbangan dalam desain teknis saluran khususnya pada saluran-saluran irigasi.
E. Batasan Masalah
Untuk mendapatkan hasil yang optimal dalam penelitian tentang kehilangan energi pada saluran terbuka maka perlu ditetapkan batasan masalah.
Adapun batasan yang digunakan dalam studi ini adalah:
1) Penelitian ini difokuskan pada jumlah kehilangan energi dengan menggunakan bangunan ambang lebar.
2) Media yang digunakan dalam penelitian ini adalah saluran terbuka dengan bentuk persegi panjang.
3) Dalam penelitian ini menggunakan air tawar sebagai bahan dalam mengamati besarnya kehilangan energi dengan menggunakan bangunan ambang lebar pada saluran terbuka.
4) Dalam penelitian ini mengunakan pola aliran seragam.
F. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan dalam tugas akhir ini yaitu:
Bab I Pendahuluan yang berisi latar belakang penelitian, rumusan penelitian, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.
Bab II Tinjauan Pustaka yang berisi tentang teori-teori yang berhubungan dengan permasalahan yang diperlukan dalam melakukan penelitian ini, meliputi teori tentang saluran air (drainase), klasifikasi aliran, teori tentang kehilangan energi dan energi spesifik, jenis-jenis karakteristik aliran dan teori tentang ambang lebar (bendung).
Bab III Metodologi Penelitian yang berisi tentang metode penelitian yang tediri atas waktu dan tempat penelitian, bahan dan peralatan serta model penelitian dan metode penelitian.
Bab IV Hasil dan Pembahasan yang berisi tentang hasil kajian dari judul penelitian tugas akhir secara detail dan terperinci.
Bab V Penutup yang berisi tentang kesimpulan dari hasil penelitian dan saran yang berkaitan dengan hasil penelitian ini yang berupa rekomendasi penelitian selanjutnya.
6
TINJAUAN PUSTAKA
A. Saluran Terbuka
Saluran terbuka (open channels) adalah saluran dimana air yang mengalir mempunyai permukaan bebas yang langsung berhubungan dengan udara luar.
Bertentangan dengan pipa, dimana aliran terjadi di bawah tekanan aliran sedangkan saluran terbuka hanya disebabkan oleh kemiringan saluran dan permukaan air (Lucio Canoinica, 2013).
Saluran terbuka digolongkan menjadi dua macam saluran yaitu, saluran alam (nonprismatis) dan saluran buatan (prismatis). Saluran alam merupakan suatu aliran yang meliputi semua alur aliran air secara alami, seperti sungai yang kecil dan besar dimana alirannya mengalir dari hulu ke hilir. Saluran buatan saluran yang dibuat dan direncanakan sesuai dengan konteks pemanfaatnya seperti, saluran irigasi, saluran drainase, saluran pembawa pada pembangkit listrik tenaga air serta saluran untuk industri.
Gambar 1. Definisi potongan melintang dan memanjang saluran (Sumber: Lucio Canoinica, 2013)
Keterangan Gambar 1.
h = kedalaman aliran vertikal, adalah jarak vertikal antara titik terendah pada dasar saluran dan permukaan air (m), d = kedalaman air normal, adalah kedalaman yang diukur tegak lurus terhadap garis aliran (m), Z = adalah elevasi atau jarak vertikal antara permukaan air dan garis referensi tertentu (m), T = lebar potongan melintang pada permukaan air (m), A = luas penampang basah yang diukur tegak lurus arah aliran (m2), P = keliling basah, yaitu panjang garis persinggungan antara air dan dinding dan atau dasar saluran yang diukur tegak lurus arah aliran, R = jari-jari hidraulik, R = A/P (m), dan D = kedalaman hidraulik, D = A/T (m).
Berbagai permasalahan teknik yang berhubungan dengan aliran terkadang tidak dapat diselesaikan dengan analitis, maka harus melakukan pengamatan dengan membuat satu bentuk saluran atau alat peraga, bentuk saluran ini mempunyai bentuk yang sama dengan permasalahan yang diteliti, tetapi ukuran dimensi lebih kecil dari yang ada di lapangan. Untuk mempermudah hal tersebut, disini diciptakan program simulasi sederhana untuk tampang memanjang aliran saluran terbuka.
Saluran digolongkan menjadi dua macam yaitu, saluran alam (natural) dan saluran buatan (artifical). Saluran alam merupakan satu aliran yang meliputi semua alur aliran air secara alami, seperti sungai yang kecil dan besar dimana alirannya mengalir dari hulu ke hilir. Saluran buatan saluran yang dibuat dan direncanakan sesuai dengan konteks pemanfaatnya seperti, saluran irigasi, saluran drainase dan saluran untuk industri. Karakteristik aliran yang terjadi pada saluran
buatan merupakan aliran seragam yang terjadi disepanjang saluran. Dalam saluran terbuka, perhitungan untuk aliran steady (mantap) dapat dinyatakan berdasarkan persamaan energi (Chow dan Rosalina, 2003) sesuai Gambar 2.
Gambar 2. Energi Aliran Saluran Terbuka dan Sketsa Tekanan Udara (Sumber:
Chow dan Rosalina, 2003).
B. Aliran Saluran Terbuka
Aliran pada saluran terbuka (open channels flow) merupakan di bawah pengaruh gravitasi, dimana air mengalir dari tempat yang tinggi ketempat yang lebih rendah. Kita ketahui bahwa untuk membuat dan memelihara pengaliran partikel-partikel air dibutuhkan energi dan harus diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Pada saluran terbuka mempunyai tiga bentuk energi hidrolis, yaitu energi potensial, energi tekanan dan energi kinetik. Juga di dalam saluran terbuka disertai oleh kehilangan tinggi tekan akibat gesekan hf (Lucio Canoinica, 2013).
Jika diantara dua penampang yaitu penampang 1 dan penampang 2 dari suatu aliran, tidak ada air yang ditambahkan atau dikurangkan, maka berlaku persamaan Kontinuitas:
Q1= Q2= A1x V1= A2x V2 ... (1) Keterangan:
Q1,Q2 = debit aliran penampang 1 dan penampang 2 (m3/dtk)
A1,A2 = luas penampang basah penampang 1 dan penampang 2 (m2) V1,V2 = kecepatan aliran penampang 1 dan penampang 2 (m/dtk).
Pada saluran terbuka, energi spesifik didefinisikan sebagai jumlah dari kedalaman aliran (energi potensial) dan tinggi kecepatan (energi kinetik). Jika digunakan persamaan Bernoulli (ketetapan energi) dengan kehilangan tinggi tekan akibat gesekan diantara penampang 1 dan 2 untuk aliran seragam, maka didapat persamaan, sebagai berikut:
+ + 2 = + + 2 + , … … … . … ( ) Keterangan:
Z = kedalaman aliran (energi potensial) y = energi tekanan
= tinggi kecepatan aliran (energi kinetik).
1. Klasifikasi Aliran
Menurut Lucio Canoinica dalam bukunya yang berjudul memahami hidraulika tahun 2013, manyatakan bahwa pentingnya mengetahui klasifikasi aliran yang bekerja pada saluran terbuka agar tenaga air yang dihasilkan dapat
maksimal dan teralirkan dengan baik. Berikut adalah klasifikasi aliran pada saluran terbuka berdasarkan fungsi waktu, yaitu:
a. Aliran tetap (steady flow) adalah terjadi jika kedalaman aliran atau debit aliran (Q) yang melalui suatu penampang melintang aliran merupakan dalam keadaan konstan atau tetap terhadap waktu (dv/dt = 0), contoh: Saluran irigasi b. Aliran tak tetap (unsteady flow) adalah jika debit aliran (Q) berubah dengan waktu aliran (dv/dt ≠ 0), contoh: Aliran muara yang dipengaruhi pasang surut, banjir dan gelombang.
Adapun klasifikasi aliran pada saluran terbuka berdasarkan fungsi ruang, adalah sebagai berikut:
a. Aliran seragam (uniform flow) adalah jika kecepatan (V) pada semua penampang melintang aliran atau arus merupakan konstan, contoh: Saluran drainase.
b. Aliran tak seragam (non uniform flow) adalah jika kecepatannya berubah pada semua penampang melintang aliran atau arus, contoh: Aliran pada pintu air. Aliran tak seragam dapat dikelompokkan menjadi dua macam aliran, yaitu:
1) Aliran berubah beraturan (gradually varied flow), terjadi jika parameter hidrolis (kecepatan, tampang basah) berubah secara progresif dari satu tampang ke tampang yang lain.
2) Aliran berubah cepat (rapidly varied flow), terjadi jika parameter hidrolis berubah secara mendadak (saluran transisi), loncat air, terjunan, aliran melalui bangunan pelimpah dan pintu air.
Klasifikasi aliran pada saluran terbuka dapat dibedakan dengan bilangan Froude dan dipengaruhi gaya tarik bumi. Adapun klasfikasi aliran berdasarkan fungsi bilangan Froude dan dipengaruhi gaya tarik bumi, yaitu sebagai berikut:
a. Aliran kritis, jika bilangan Froude sama dengan satu (Fr = 1) dan gangguan permukaan misal, akibat riak yang terjadi karena batu yang dilempar ke dalam sungai tidak akan bergarak menyebar melawan arah arus.
b. Aliran subkritis, jika bilangan Froude lebih kecil dari satu (Fr < 1), untuk aliran subkritis kedalaman biasanya lebih besar dan kecepatan aliran rendah (semua riak yang timbul dapat bergerak melawan arus).
c. Aliran superkritis, jika bilangan Froude lebih besar dari satu (Fr > 1), untuk aliran superkritis kedalaman aliran relatif lebih kecil dan kecepatan relatif tinggi. Segala riak yang timbul dari suatu gangguan adalah mengikuti arah arus aliran.
Adapun persamaan untuk menghitung nilai bilangan Froude, dapat dinyatakan dalam bentuk sebagai berikut:
= … … … ( )
Dalam studi model nilai bilangan Froude pada prototipe atau model harus sama, jadi nilai bilangan Froude dalam pemodelan dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
. . =
. . … … … . … … … ( ) Keterangan:
Fr = bilangan Froude
V = kecepatan aliran (m/dtk) g = kecepatan garvitasi (m/dtk2)
(Nilai gravitasi bumi = 9,81 m/dtk) h = kedalaman hidrolis saluran (m) m = model bangunan air
p = prototype bangunan air.
2. Karateristik Aliran
Karakteristik aliran merupakan sifat, perilaku atau kualitas yang melekat secara alamiah pada aliran fluida yang terjadi di saluran. Klasfikasi aliran pada saluran juga dapat dibedakan menggunakan bilangan Reynolds. Menurut bilangan Reynolds dapat dibedakan menjadi 3 bagian klasifikasi aliran dan disertai dengan karakteristik alirannya adalah sebagai berikut:
a. Aliran laminar
Aliran laminar adalah jika suatu lintasan aliran yang ditunjukkan oleh gerak partikel-partikel cairan menunjukkan garis-garis halus, sejajar dan tidak memotong aliran. Menurut French 1985, nilai bilangan Reynolds lebih kecil dari lima ratus (Re < 500).
Karateristik aliran air pada aliran ini adalah sebagai berikut:
1) Aliran fluida tanpa arus turbulen (pusaran air)
2) Aliran laminer bergarak atau mangalir secara beraturan
3) Partikel fluida mengalir atau bergerak dengan bentuk garis lurus dan sejajar/paralel
4) Laminar merupakan ciri dari arus yan berkecepatan rendah
5) Perpindahan partikel sedimen dalam zona aliran berpindah dengan cara menggelinding (rolling) atau terangkat.
Gambar 3. Aliran Laminer (Sumber: Ridho Ernandi, 2012) b. Aliran turbulen
Aliran turbulen adalah jika suatu aliran yang ditunjukan oleh gerak pada partikel-partikel cairan bergerak sepanjang garis lintasan yang berupa lengkungan-lengkungan tak teratur dan memotong satu sama lain. Menurut French 1985 nilai bilangan Reynolds lebih besar dari dua belas ribu lima ratus (Re
> 12500).
Karateristik aliran air pada aliran ini adalah sebagai berikut:
1) Aliran partikel tidak menentu
2) Mempunyai kecepatan beraneka ragam
3) Aliran ini lebih efisien dalam mengangkut dan menjalankan sedimen
4) Massa air bergerak ke atas, bawah dan secara lateral berhubungan dengan arah arus yang umum
5) Dapat memindahkan massa dan momentum.
Gambar 4. Aliran Turbulen (Sumber: Ridho Ernandi, 2012)
c. Aliran transisi
Aliran transisi adalah aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen, aliran transisi biasanya paling sulit untuk diamati. Menurut French 1985 nilai bilangan Reynolds antara lima ratus sampai dua belas ribu lima ratus (500 <
Re < 12500).
3. Regime Aliran
Regime aliran (flow regime) adalah pola tertentu ketika suatu fluida yang mengalir yang diakibatkan sifat fisik fluida, interaksi antara cairan, gas dan ukuran kekasaran. Regime aliran yang mungkin terjadi pada saluran terbuka adalah sebagai berikut:
a. Subkritis – Laminer adalah apabila nilai bilangan Froude lebih kecil dari pada satu dan nilai bilangan Reynolds berada pada rentang laminar
b. Superkritis – Laminer adalah apabila nilai bilangan Froude lebih besar dari pada satu dan nilai bilangan Reynolds berada pada rentang laminar
c. Superkritis – Turbulen adalah apabila nilai bilangan Froude lebih besar dari pada satu dan nilai bilangan Reynolds berada pada rentang turbulen
d. Subkritis – Turbulen adalah apabila nilai bilangan Froude lebih kecil dari pada satu dan nilai bilangan Reynolds berada pada rentang turbulen.
C. Kehilangan Energi
Profil aliran dan garis energi pada saluran melengkung yang seragam, dapat dilihat pada gambar 5. Keadaan 1 menggambarkan aliran subkritis pada
lengkungan diantara dua buah saluran terjal. Jika tidak ada lengkungan, aliran subkritis terjadi pada kedalaman normal yn, tergantung besarnya pengosongan.
Akibat adanya lengkungan, maka garis energi pada awal kurva A naik sebesar hf. Bagian terbesar energi pada saluran diredam disepanjang lengkungan. Sedangkan sisanya, dipindahkan sejauh L’ pada hilir saluran BB’, yaitu jarak yang diperlukan untuk kembali ke keadaan normal. Kemiringan garis energi antara A dan B’ lebih besar dari kemiringan dasar SO, dan garis energi aliran subkritis akan bertemu dengan garis energi aliran normal di titik B’. Untuk menaikkan garis energi pada titik A, hingga di atas garis normal, maka harus dibendung pada bagian hulu, dari titik A. dari kurva energi spesifik aliran, dapat ditunjukkan bahwa untuk mendapatkan kenaikan sebesar hf pada garis energi, diperlukan kenaikan permukaan sebesar ∆y yang nilainya lebih basar dari hf. Kenaikan permukaan air ini menunjukkan, bahwa adanya lengkungan pada saluran aliran subkritis mempunyai pengaruh genangan air, seperti yang terdapat pada dam atau bendungan. Untuk perhitungan profil air genangan, titik awal dapat diletakkan di A, dengan kedalaman yn+ ∆y. Profil air genangan yang terjadi termasuk jenis M1, meluas ke hulu dari titik A, berbentuk asimtotis terhadap garis kedalaman normal.
Keadaan 2 menggambarkan aliran superkritis garis energi turun sebesar hf
pada B’, yang diakibatkan oleh peredaman energi pada lengkungan dan hilir saluran BB’. Permukaan air naik mulai dari titik A melampaui garis normal dan pada titik B’ kenaikannya sebesar ∆y. Setelah titik B’ kenaikannya mengecil hingga kembali ke garis normal. Jika permukaan air naik hingga melampaui garis kedalaman kritis (CDL) akan dihasilkan suatu loncatan hidrolik.
Keadaan 3 menggambarkan aliran superkritis, dimana kedalaman normal hanya sedikit di bawah kedalaman kritis, sehingga dihasilkan suatu loncatan berombak. Kehilangan energi total yang disebabkan oleh hambatan lengkungan, dapat dinyatakan dalam istilah tinggi tekan kecepatan:
= ………. (5)
dimana V adalah kecepatan rata-rata pada penampang, dan fc koefisien hambatan lengkungan. Koefisien fc sangat berfariasi terhadap setiap parameter R aliran dating rc/b, ȳ/b, dan Ɵ/1800. Kumpulan kurva-kurva parameter yang didasarkan pada percobaan yang dilakukan Shukry. Kurva-kurva ini dapat digunakan untuk menentukan nilai pendekatan besaran fc saluran melengkung yang halus. Untuk beberapa keadaan, fc dapat diperoleh dengan menetapkan nilainya yang berkaitan dengan dua buah variabel, dan kemudian tentukan nilai fcyang berkaitan dengan variabel-variabel ketiga dan keempat.
Gambar 5. Garis energi dan profil aliran di sekitar lengkungan (Sumber: Ven Te Chow, 1992)
Gambar 6. Fungsi parametric percobaan koefisien hambatan lengkungan (Sumber:
A. Shukry)
D. Energi spesifik
Besarnya energi spesifik dapat dirumuskan sebagai berikut (Ven Te Chow, 1959 dan Robert, J. K., 2002) :
E = + ………. (6)
dengan E = energi spesifik.
Gambar 7. Parameter energi spesifik (Sumber: Robert.J.K. 2002)
Dasar saluran diasumsikan mempunyai kemiringan landai atau tanpa kemiringan. Z adalah ketinggian dasar diatas garis sreferensi yang dipilih, h adalah kedalaman aliran, dan faktor koreksi energi (a) dimisalkan sama dengan satu. Energi spesifik aliran pada setiap penampang tertentu dihitung sebagai total energi pada penampang itu dengan menggunakan dasar saluran sebagai referensi (Rangga Raju, 1981). Persamaan energi secara umum adalah :
H = z + h cos + ……….…… (7)
sehingga persamaan energi untuk saluran datar (θ = 0), adalah :
E = + ………. (8)
Berhubung Q = v x A, maka rumus energi spesifik menjadi :
E = + ……… ……. (9)
dengan h = tinggi energi (cm), z = tinggi suatu titik terhadap bidang referensi (cm), a = koefisien energi, pada perhitungan selanjutnya a = 1, E = energi spesifik
(cm), h = kedalaman aliran (cm), v = kecepatan aliran rata-rata (cm/detik), A = luas penampang (cm2), g = percepatan grafitasi (cm/detik2), dan Q = debit (cm3/det). Perbedaan energi di hulu dan energi di hilir dikenal sebagai kehilangan energi, yaitu ∆E = E1– E2sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 8 berikut.
y v
122g
1
E Maks
E Min
y
cy
3v2g32
Garis energi
Garis energi
Kehilangan Energi ( E)
Gambar 8. Profil aliran melalui ambang lebar (Sumber: Buku KP 04)
Dari Gambar 8 diperoleh persamaan besarnya kehilangan energi sebagai berikut:
∆E = + − + ………. (10)
dengan ΔE = kehilangan energi (cm), y1= tinggi air di hulu (cm), y3= tinggi air di hilir (cm), v1 = kecepatan air di hulu (cm/det), dan v3 = kecepatan air di hilir (cm/det). Kecepatan dapat diturunkan dari persamaan sebelumnya, sehingga Persamaan (10) menjadi :
∆E = + − + ………. (11)
dengan Y1= luas penampang titik 1 dan Y3= luas penampang titik 3.
E. Jenis-Jenis Karakteristik Aliran
Tabel 1. Jenis-jenis karakteristik aliran
Tipe aliran Kecepatan rata-rata Kedalaman
Steady, uniform V = konstan y = konstan
Steady, nonuniform V = V (x) y = y (x)
Unsteady, uniform V = V (t) y = y (t)
Unsteady, non uniform V = V (x,t) Y = y (x,t) sumber:Bambang Triatmodjo, Hidrolika II, Yogyakarta :1993
F. Ambang lebar
Aliran atas (over flow) merupakan aliran yang mengalir melalui bagian atas bangunan pengendali debit aliran pada saluran terbuka. Bangunan pengendali debit aliran pada saluran terbuka untuk aliran atas, yaitu alat ukur ambang lebar.
Alat ukur ambang lebar adalah bangunan aliran atas (over flow), untuk ini tinggi energi hulu lebih kecil dari panjang mercu. Karena pola aliran di atas alat ukur ambang lebar dapat ditangani dengan teori hidrolika yang sudah ada sekarang, maka bangunan ini bisa mempunyai bentuk yang berbeda-beda, sementara debitnya tetap serupa.
Gambar 9. Aliran di Atas Ambang Lebar (Sumber: Alex Binilang, 2010)
Dengan adanya ambang, akan terjadi efek pembendungan di sebelah hulu ambang. Efek ini dapat dilihat dari naiknya permukaan air bila dibandingkan dengan sebelum dipasang ambang. Dengan demikian, pada penerapan di lapangan harus diantisipasi kemungkinan banjir di hulu ambang.
Secara teori naiknya permukaan air ini merupakan gejala alam dari aliran dimana untuk memperoleh aliran air yang stabil, maka air akan mengalir dengan kondisi aliran subkritik, karena aliran jenis ini tidak akan menimbulkan gerusan (erosi) pada permukaan saluran.
Pada saat melewati ambang biasanya aliran akan berperilaku sebagai aliran kritik, selanjutnya aliran akan mencari posisi stabil. Pada kondisi tertentu misalkan dengan adanya terjunan atau kemiringan saluran yang cukup besar, setelah melewati ambang aliran dapat pula berlaku sebagai aliran super kritis.
Pada penerapan di lapangan apabila kondisi super kritis ini terjadi maka akan sangat membahayakan, dimana dasar tebing saluran akan tergerus. Strategi penanganan tersebut diantaranya dengan membuat peredam energi aliran, misalnya dengan memasang lantai beton atau batu-batu cukup besar di hilir ambang.
22
METODE PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu Penelitian
1. Tempat Penelitian
Tempat pada penelitian ini adalah di Laboratorium Hidrolika Fakultas Teknik Jurusan Teknik Pengairan Universitas Muhammadiyah Makassar, jalan Sultan Alauddin No. 259 Telpon (0411) 866972. Fax (0411) 8655888 Makassar.
2. Waktu Penelitian
Penelitian ini direncanakan dengan durasi 4 bulan mulai bulan November tahun 2016 sampai bulan Februari tahun 2017, untuk administrasi sudah dimulai sejak bulan November tahun 2016, kemudian dilanjutkan dengan pembuatan proposal, dan pada bulan Desember tahun 2016 dilakukan desain alat, kemudian dilanjutkan dengan pengamatan/pengukuran di laboratorium untuk mendapatkan data-data primer sampai pada bulan Februari tahun 2017.
B. Jenis Penelitian dan Sumber Data
1. Jenis Penelitian
Penelitian yang digunakan adalah simulasi eksperimental, dimana kondisi tersebut dibuat dan diatur sendiri oleh peneliti dengan mengacu pada literatur yang berkaitan dengan judul penelitian tersebut.
2. Sumber Data
Dalam penelitian ini digunakan dua jenis sumber data penelitian yaitu data primer dan data sekunder. Data-data primer diperoleh dari hasil pengamatan/pengukuran langsung dari laboratorium terhadap setiap parameter dengan perilaku dimana setiap parameter pada ambang lebar dilakukan berulang terhadap sejumlah 5 variasi tinggi muka air (h1, h1,5, h2, h2,5sampai h3), dengan variasi tinggi ambang (P) yang tetap. 1 tinggi muka air (h), dengan variasi tinggi ambang 5 kali (P1, P2,P3, P4 sampai P5). Jumlah ulangan pengukuran pada setiap variasi tinggi ambang dilakukan sebanyak 3 kali.
Data-data sekunder diperoleh melalui studi pustaka dan mengumpulkan data atau informasi data sekunder dari berbagai sumber terkait, misalnya: laporan laboratorium hidrolika, jurnal, buku-buku serta laporan-laporan penelitian terdahulu.
C. Desain Penelitian
Penelitian ini menggunakan peralatan dan bahan yang tersedia di Laboratorium Hidrolika Fakultas Teknik Jurusan Teknik Pengairan Universitas Muhammadiyah Makassar. Adapun alat dan bahan yang digunakan, yaitu:
1) Peralatan satu set model saluran terbuka (Flume) 2) Model Ambang Lebar
3) Pompa air, mistar, stopwatch, dan kamera 4) Bahan yang digunakan (Air)
Adapun desain alat yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu:
1) Tampak Atas Alat Penelitian
A
A
3,9 mInput
Output Saluran
B
B
Model Ambang Lebar
Gambar 10. Tampak Atas Alat Penelitian
2) Potongan
33 cm
7,5 cm
Saluran Persegi
33 cm
7,5 cm
Saluran Persegi
P
Model Ambang Lebar
Potongan A-A Potongan B-B
Gambar 11. Potongan Saluran (Flume)
3) Model Ambang Lebar
Gambar 12. Model Ambang Lebar
D. Variabel Yang Diteliti
Sesuai tujuan penilitian ini yang dilaksanakan pada model saluran terbuka (flume) dengan kajian untuk mengetahui kehilangan energy aliran yang terjadi di aliran atas dan aliran bawah yang mengacu pada rancangan yang telah disetujui untuk mendapatkan data sebagai bahan kajian. Variabel yang digunakan adalah:
1. Variabel Bebas
Variabel bebas adalah variabel yang besarnya ditentukan sebelum penelitian, besarnya variabel bebas dapat diubah-ubah untuk mendapatkan hubungan antara variabel bebas dengan variabel terikat, sehingga tujuan penelitian dapat tercapai (Darmulia, 2012). Variabel bebas dalam penelitian ini, yaitu:
a. Tinggi muka air sebelum dipengaruhi ambang lebar (h).
b. Variasi tinggi ambang lebar (P).
2. Variabel Terikat
Variabel terikat adalah variabel yang besarnya tidak dapat ditentukan sebelum penelitian, tetapi besarnya tergantung dari variabel bebas. (Darmulia, 2012). Dalam penelitian ini variabel terikat yang digunakan, yaitu:
a. Dimensi saluran terbuka (Flume) b. Kecepatan aliran (V)
c. Debit Pengaliran (Q)
E. Prosedur Penelitian
Adapun prosedur simulasi pada ambang lebar adalah sebagai berikut:
a) Aturlah kedudukan saluran hingga keadaan dasar saluran menjadi datar/horizontal
b) Alirkan air ke dalam saluran terbuka dan ukur tinggi muka air sebelum dipengaruhi ambang lebar, tinggi muka air harus konstan kemudian tinggi muka air dikonfersi menjadi debit aliran (Q)
c) Pasang ambang lebar pada saluran dan jaga agar kondisi ambang lebar tetap horizontal (rata)
d) Atur variasi tinggi ambang lebar (P) mulai dari P1, P2, P3, P4dan P5untuk satu tinggi muka air pada saluran, 1 kali pengaliran dengan 1 variasi tinggi ambang untuk 1 pengukuran data misalnya H 1 cm dengan variasi tinggi ambang P1kemudian diukur variabel yang dibutuhkan.
e) Setelah mengukur variabel yang dibutuhkan, untuk variasi tinggi ambang misalnya P1dimatikan mesin pompa hingga air lolos semua sampai keadaan tinggi muka air menjadi konstan kembali. Kemudian dinyalakan kembali mesin pompa masih dengan variasi tinggi ambang P1catat kembali hasilnya f) Setiap satu variasi tinggi ambang pada tinggi muka air yang sama,
pengukuran variabel diulang sebanyak 3 kali
g) Kemudian ubah tinggi muka air dengan memutar keran hingga H 3 cm, dan ulangi langkah bagian d, e dan f
h) Amatilah pengaliran yang terjadi dan ulangi percobaan untuk tinggi muka air yang lain.
F. Analisis Data
Data dari lapangan / laboratorium diolah sebagai bahan analisis terhadap hasil studi ini, sesuai dengan tujuan dan sasaran penelitian data yang diolah adalah data yang relevan yang dapat mendukung dalam menganalisis hasil penilitian.
Teknik analisis data yang menyangkut hubungan antara variabel-variabel Dalam penilitian dilakukan dengan tahap sebagai berikut :
1. Persamaan Menghitung Debit
Adapun persamaan umum untuk menghitung debit aliran yang melewati suatu saluran, yaitu:
Q = V.A 2. Persamaan Menghitung Kecepatan Aliran (V)
Adapun persamaan untuk menghitung kecepatan aliran yang melewati suatu saluran, yaitu:
V =
Dengan menggunakan koefisien modifikasi dari buku Hidrologi Untuk Pengaliran (Suyono Sosrodarsono, 2006) kecepatan (V) dikalikan dengan Alfa (α) sehingga rumusnya menjadi:
Vp= α . V
3. Persamaan Menghitung Kehilangan Energi Spesifik
Adapun persamaan untuk menghitung kehilangan energi spesifik yang terjadi, adalah sebagai berikut:
= +22 Dikarenakan Q = v x A jadi rumus E menjadi
E = +
4. Persamaan Menghitung Nilai Bilangan froude
Adapun persamaan untuk menghitung nilai bilangan Froude, dapat dinyatakan dalam bentuk sebagai berikut:
= .
G. Bagan Alir Penelitian
Gambar 13. Bagan Alir
Persiapan Alat dan Model Penelitian
Pengambilan Data
Variabel Terikat -Kecepatan aliran (V) -Debit Pengaliran (Q)
-Dimensi saluran terbuka (Flume)
Validasi Data ?
Analisis data
Selesai Kesimpulan
Mulai
Studi Literatur
Variabel Bebas -Tinggi muka air (H).
-Variasi tinggi ambang lebar (P).
Tidak
Ya
30
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Menghitung Debit Pengaliran Tanpa Ambang
Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa tujuan dari penelitian pada poin ini adalah untuk mengetahui debit pengaliran tanpa ambang lebar pada saluran terbuka. Menentukan debit pengaliran (Q) tanpa bangunan ambang dengan menghitung kecepatan (V) menggunakan koefisien modifikasi , serta dikalikan dengan penampang (A), seperti pada tabel 2 berikut:
Tabel 2. Perhitungan Debit
No h t s A V Qs
(cm) (det) (m) (m²) (m/det) (m³/det)
1 1.0 26.45 3.90 0.0008 0.125 0.00009
2 1.5 21.87 3.90 0.0011 0.152 0.00017
3 2.0 17.40 3.90 0.0015 0.191 0.00029
4 2.5 14.10 3.90 0.0019 0.235 0.00044
5 3.0 11.50 3.90 0.0023 0.288 0.00065
Pada tabel 2 di atas menunjukkan hasil perhitungan beberapa kecepatan (V) serta luas penampang (A) yang mempengaruhi perhitungan debit (Q).
B. Menentukan Ketinggian Air
Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa tujuan dari penelitian dan poin ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi tinggi ambang lebar terhadap aliran yang terjadi pada saluran terbuka, dengan variasi tinggi muka air (h) yang telah dikonversi menjadi debit aliran dan variasi tinggi ambang lebar (P) yang telah ditentukan.
Tabel 3. Tinggi Muka Air No Variasi Ambang (P)
Tinggi Muka Air
Hulu (Y0) Hilir (Y3)
(cm) (m) (m)
H = 1 cm Dengan Q = 0,00009 m3/dtk
1
1 0.024 0.009
2 0.034 0.009
3 0.044 0.008
4 0.054 0.007
5 0.065 0.007
H = 1,5 cm Dengan Q = 0,00017 m3/dtk
2
1 0.025 0.012
2 0.036 0.012
3 0.047 0.012
4 0.056 0.011
5 0.069 0.010
H = 2 cm Dengan Q = 0,00029 m3/dtk
3
1 0.029 0.014
2 0.040 0.014
3 0.049 0.014
4 0.059 0.014
5 0.070 0.013
H = 2,5 cm Dengan Q = 0,00044 m3/dtk
4
1 0.036 0.015
2 0.047 0.014
3 0.057 0.015
4 0.065 0.014
5 0.080 0.014
H = 3 cm Dengan Q = 0,00065 m3/dtk
5
1 0.041 0.016
2 0.051 0.016
3 0.063 0.016
4 0.072 0.016
5 0.086 0.015
Pada tabel 3 menunjukkan bahwa variasi tinggi ambang (P) sangat mempengaruhi tinggi muka air yang ada di hulu (Y0) dan di hilir (Y3) hal ini dikarenakan adanya efek pembendungan dapat mempengaruhi pola aliran di setiap hulu dan hilir ambang.
Gambar 14. Grafik hubungan tinggi muka air hulu (Y0) dengan variasi tinggi ambang Lebar (P)
Pada grafik 14 menjelaskan bahwa pengaruh variasi tinggi ambang (P) 1cm dengan muka air di hulu (Y0) berjumlah 0.024 dalam ketinggian muka air (H1), serta setiap variasi tinggi ambang (P) makin besar semakin tinggi pula tinggi muka air di hulu (Y0).
Gambar 15. Grafik hubungan tinggi muka air hilir (Y3) dengan variasi tinggi ambang Lebar (P)
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 0.100
0 1 2 3 4 5 6
Y0 (TMA di Hulu)
P (Variasi Tinggi Ambang Lebar)
H 1 H 1,5 H 2 H 2,5 H 3
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018
0 1 2 3 4 5 6
Y3 (TMA di Hilir)
P (Variasi Tinggi Ambang Lebar)
H 1 H 1,5 H 2 H 2,5 H 3
Pada grafik 15 menjelaskan bahwa pengaruh variasi tinggi ambang (P) 1cm dengan muka air di hilir (Y3) berjumlah 0.009 dalam ketinggian muka air (H1), serta setiap variasi tinggi ambang (P) makin besar semakin rendah pula tinggi muka air di hulu (Y3).
C. Menghitung Energi Spesifik
Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa tujuan dari penelitian dan poin ini adalah untuk mengetahui kehilangan energi yang terjadi akibat adanya bangunan ambang lebar pada saluran terbuka, dengan variasi tinggi muka air (h) yang telah dikonfersi menjadi debit aliran dan variasi tinggi ambang lebar (P) yang telah ditentukan. Kehilangan energi terjadi pada saat sebelum melewati ambang lebar (Ehulu) dan setelah melewati ambang lebar (Ehilir).
Untuk mengetahui hasil perhitungan energi aliran yang terjadi di hulu perlu diketahui Y0 (tinggi muka air hulu) dan V0 (kecepatan air di hulu) serta sebaliknya untuk mengetahui hasil perhitungan energi aliran yang terjadi di hilir perlu diketahui Y3(tinggi muka air hilir) dan V2(kecepatan air di hilir), sehingga hasil untuk kehilangan energi untuk setiap variasi tinggi ambang yang digunakan dalam penelitian ini, dapat dilihat pada tabel 4 dan tabel 5 berikut:
Pada tabel 4 menunjukkan bahwa dalam merperoleh energi spesifik di hulu (EHulu) dipengaruhi oleh ketinggian muka air hulu (Y0) dan kecepatan air di hulu (VHulu).
Tabel 4. Perhitungan Nilai Energi Spesifik Di Hulu
Q P Y0 VHulu EHulu
(m³/det) (m) (m) (m/det) (m/det) 0.010 0.024 0.094 0.024 0.020 0.034 0.066 0.034 0.030 0.044 0.050 0.044 0.040 0.054 0.041 0.054 0.050 0.065 0.030 0.065 0.010 0.025 0.063 0.025 0.020 0.036 0.052 0.036 0.030 0.047 0.041 0.047 0.040 0.056 0.038 0.056 0.050 0.069 0.027 0.069 0.010 0.029 0.094 0.029 0.020 0.040 0.070 0.040 0.030 0.049 0.054 0.049 0.040 0.059 0.054 0.059 0.050 0.070 0.055 0.070 0.010 0.036 0.138 0.036 0.020 0.047 0.120 0.047 0.030 0.057 0.090 0.057 0.040 0.065 0.107 0.065 0.050 0.080 0.071 0.080 0.010 0.041 0.185 0.041 0.020 0.051 0.160 0.051 0.030 0.063 0.168 0.063 0.040 0.072 0.111 0.072 0.050 0.086 0.094 0.086 No
1 0.00009
4 0.00044
Tinggi Muka Air 1 cm
Tinggi Muka Air 1,5 cm
Tinggi Muka Air 2 cm
Tinggi Muka Air 2,5 cm
5 0.00065 2 0.00017
3 0.00029
Tinggi Muka Air 3 cm
Gambar 16. Grafik hubungan Energi Hulu (EHulu) dengan variasi tinggi ambang Lebar (P)
Pada grafik 16 di atas menjelaskan hubungan pengaruh variasi tinggi ambang lebar (P) dengan kedalaman muka air di hulu (Y0) menunjukkan bahwa tinggi muka air (H1) variasi ambang lebar 0.010 m dengan ketinggian air di hulu 0.024 m mengalami energi spesifik paling kecil yaitu 0.024 m/det. Dengan karakteristik aliran laminar dan klasifikasi aliran subkritis sedangkan sebaliknya energi spesifik yang paling besar berada pada tinggi muka air (H3) dengan variasi tinggi ambang lebar 0.050 m dengan ketinggian muka air di hulu 0.086 m dengan jumlah 0.086 m/det. Dengan karakteristik aliran turbulen dan klasifikasi aliran superkritis.
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 0.100
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060
E
hulu(En er gi H ul u)
P (Variasi Tinggi Ambang Lebar)
H 1 H 1,5 H 2 H 2,5 H 3
Pada tabel 5 menunjukkan bahwa dalam merperoleh energi spesifik di hulu (Ehulu) dipengaruhi oleh ketinggian muka air hilir (Y3) dan kecepatan air di hulu (Vhilir).
Tabel 5. Perhitungan Nilai Energi Spesifik Di Hilir
Q P Y3 Vhilir Ehilir
(m³/det) (m) (m) (m/det) (m/det)
0.010 0.009 0.198 0.009
0.020 0.009 0.208 0.009
0.030 0.008 0.175 0.008
0.040 0.007 0.196 0.007
0.050 0.007 0.141 0.007
0.010 0.012 0.242 0.012
0.020 0.012 0.243 0.012
0.030 0.012 0.241 0.012
0.040 0.011 0.238 0.011
0.050 0.010 0.232 0.010
0.010 0.014 0.295 0.014
0.020 0.014 0.277 0.014
0.030 0.014 0.276 0.014
0.040 0.014 0.268 0.014
0.050 0.013 0.283 0.013
0.010 0.015 0.325 0.015
0.020 0.014 0.342 0.014
0.030 0.015 0.326 0.015
0.040 0.014 0.343 0.014
0.050 0.014 0.333 0.014
0.010 0.016 0.362 0.017
0.020 0.016 0.437 0.016
0.030 0.016 0.408 0.016
0.040 0.016 0.463 0.016
0.050 0.015 0.385 0.015
4 0.00044
5 0.00065
No
1 0.00009
2 0.00017
3 0.00029
Tinggi Muka Air 1 cm
Tinggi Muka Air 1,5 cm
Tinggi Muka Air 2 cm
Tinggi Muka Air 2,5 cm
Tinggi Muka Air 3 cm
Gambar 17. Grafik hubungan Energi Hilir (EHilir) dengan variasi tinggi ambang Lebar (P)
Pada grafik 17 di atas menjelaskan hubungan pengaruh variasi tinggi ambang lebar (P) dengan kedalaman muka air di hilir (Y3) menunjukkan bahwa tinggi muka air (H1) dengan variasi tinggi ambang 0.040 m serta ketinggian air di hulu 0.030 m mengalami energi spesifik paling kecil yaitu 0.007 m/det. Dengan karakteristik aliran laminar dan klasifikasi aliran subkritis sedangkan sebaliknya energi spesifik yang paling besar berada pada tinggi muka air (H3) dengan variasi tinggi ambang lebar 0.010 m dengan ketinggian muka air hilir 0.016 m dengan jumlah 0.017 m/det. Dengan karakteristik aliran turbulen dan klasifikasi aliran superkritis.
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060
E
hulu(En er gi H ul u)
P (Variasi Tinggi Ambang Lebar)
H 1 H 1,5 H 2 H 2,5 H 3
Adapun kehilangan energi (∆E), dapat dilihat pada tabel berikut ini :
Pada tabel 6 menunjukkan bahwa dalam merperoleh Energi Total (∆E), dipengaruhi oleh energi spesifik di hilir (Ehilir) yang di kurangkan dengan energi spesifik di hulu (Ehulu).
Tabel 6. Perhitungan Nilai Energi (∆E)
Q P EHulu EHilir
(m³/det) (m) (m/det) (m/det)
0.010 0.024 0.009 0.015
0.020 0.034 0.009 0.025
0.030 0.044 0.008 0.036
0.040 0.054 0.007 0.047
0.050 0.065 0.007 0.058
0.010 0.025 0.012 0.013
0.020 0.036 0.012 0.024
0.030 0.047 0.012 0.035
0.040 0.056 0.011 0.045
0.050 0.069 0.010 0.059
0.010 0.029 0.014 0.015
0.020 0.040 0.014 0.026
0.030 0.049 0.014 0.035
0.040 0.059 0.014 0.045
0.050 0.070 0.013 0.057
0.010 0.036 0.015 0.021
0.020 0.047 0.014 0.033
0.030 0.057 0.015 0.042
0.040 0.065 0.014 0.051
0.050 0.080 0.014 0.066
0.010 0.041 0.017 0.024
0.020 0.051 0.016 0.035
0.030 0.063 0.016 0.047
0.040 0.072 0.016 0.056
0.050 0.086 0.015 0.071
No ∆E
1 0.00009
2 0.00017
Tinggi Muka Air 1 cm
Tinggi Muka Air 1,5 cm
3 0.00029
4 0.00044
5 0.00065
Tinggi Muka Air 2 cm
Tinggi Muka Air 2,5 cm
Tinggi Muka Air 3 cm
Gambar 18. Grafik hubungan jumlah kehilangan energi dengan variasi tinggi ambang lebar
Pada grafik 18 di atas menunjukkan bahwa kehilangan energi (∆ ) yang paling kecil terdapat pada debit (Q) = 0.00017 m³/det dengan tinggi muka air H1,5
dengan variasi tinggi ambang lebar 0.010 m dengan jumlah 0,013 m/det.
kemudian menunjukkan bahwa kehilangan energi (∆ ) yang paling besarl terdapat pada debit (Q) = 0.0065 m³/det dengan tinggi muka air H3dengan variasi tinggi ambang lebar 0.050 m dengan jumlah 0,071 m/det.
D. Menghitung Bilangan Froude (FR)
Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa untuk mengetahui jenis aliran dan perilaku aliran yang terjadi dalam proses pengaliran pada saat sebelum (Hulu) dan setelah melewati ambang lebar (Hilir) dalam saluran dapat dijabarkan berdasarkan nilai bilangan Froude (Fr).
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060
∆E (Kehilangan Energi)
P (Variasi Tinggi Ambang Lebar)
H 1 H 1,5 H 2 H 2,5 H 3
a) Menghitung Bilangan Froude
Tabel 7. Perhitungan Nilai Bilangan Froude
Pada tabel 7 menunjukkan bahwa dalam merperoleh nilai Bilanagan Froud dipengaruhi oleh kecepatan (v) dan tinggi muka air (H) dimana hal ini sesuai dengan letak pengambilan data dihulu atau di hilir.
Q P Y0 Y3 g VHulu VHilir
(m³/det) (m) (m) (m) (m/det²) (m/det) (m/det)
0.010 0.024 0.009 9.81 0.0942 0.1980 0.194 0.666
0.020 0.034 0.009 9.81 0.0659 0.2076 0.114 0.699
0.030 0.044 0.008 9.81 0.0501 0.1746 0.076 0.611
0.040 0.054 0.007 9.81 0.0414 0.1957 0.057 0.729
0.050 0.065 0.007 9.81 0.0302 0.1407 0.038 0.525
0.010 0.025 0.012 9.81 0.0634 0.2422 0.128 0.706
0.020 0.036 0.012 9.81 0.0515 0.2433 0.087 0.709
0.030 0.047 0.012 9.81 0.0413 0.2413 0.061 0.694
0.040 0.056 0.011 9.81 0.0383 0.2385 0.052 0.726
0.050 0.069 0.010 9.81 0.0275 0.2322 0.033 0.741
0.010 0.029 0.014 9.81 0.0942 0.2949 0.177 0.796
0.020 0.040 0.014 9.81 0.0695 0.2774 0.111 0.749
0.030 0.049 0.014 9.81 0.0537 0.2764 0.077 0.746
0.040 0.059 0.014 9.81 0.0538 0.2678 0.071 0.723
0.050 0.070 0.013 9.81 0.0546 0.2834 0.066 0.794
0.010 0.036 0.015 9.81 0.1384 0.3250 0.233 0.857
0.020 0.047 0.014 9.81 0.1197 0.3422 0.176 0.912
0.030 0.057 0.015 9.81 0.0901 0.3256 0.121 0.858
0.040 0.065 0.014 9.81 0.1065 0.3435 0.133 0.916
0.050 0.080 0.014 9.81 0.0714 0.3328 0.081 0.909
0.010 0.041 0.016 9.81 0.1847 0.3624 0.291 0.915
0.020 0.051 0.016 9.81 0.1603 0.4369 0.227 1.103
0.030 0.063 0.016 9.81 0.1680 0.4076 0.214 1.029
0.040 0.072 0.016 9.81 0.1110 0.4627 0.132 1.168
0.050 0.086 0.015 9.81 0.0938 0.3852 0.102 1.004
5 0.00065 2 0.00017 No
Tinggi Muka Air 1,5 cm
Tinggi Muka Air 2 cm
Tinggi Muka Air 2,5 cm
Tinggi Muka Air 3 cm 3 0.00029
4 0.00044
(Hulu)Fr Fr (Hilir)
1 0.00009
Tinggi Muka Air 1 cm
Gambar 19. Grafik hubungan kecepatan aliran dengan nilai bilangan Froude Pada grafik 19 di atas menunjukkan bahwa hubungan antara kecepatan aliran (V) dengan bilangan Froude (Fr) berbanding lurus. Dimana pengaruh kecepatan hilir lebih besar dibanding kecepatan hulu terhadap bilangan froude.
Gambar 20. Grafik hubungan variasi tinggi ambang lebar dengan nilai bilangan Froude
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400
0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000
BILANGAN FROUDE (FR)
KECEPATAN (V)
Hulu Hilir
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060
BILANGAN FROUDE (FR)
VARIASI AMBANG (P)
GRAFIK HUBUNGAN P VS FR
Hulu Hilir
Pada grafik 20 menunjukkan bahwa hubungan antara variasi tinggi ambang (P) dengan bilangan Froude (Fr) berbanding lurus. Dimana pengaruh variasi tinggi ambang di hilir lebih besar dibanding variasi tinggi ambang di hulu terhadap bilangan froude.
Berdasarkan hasil dari perhitungan nilai bilangan Froude yang kemudian disesuaikan dengan teori, menyatakan bahwa:
1) Besar nilai bilangan Froude di hulu adalah antara 0,033 – 0,291 (Fr < 1) yang berarti tipe aliran pada hulu ambang lebar menghasilkan suatu kondisi aliran sub-kritis.
2) Besar nilai bilangan Froude di hilir adalah antara 0,525 (Fr < 1) yang berarti tipe aliran sub-kritis sampai 1,168 (Fr > 1) yang berarti tipe aliran super- kritis.
43 PENUTUP
A. Kesimpulan
Berdasarkan dari hasil penelitian maka dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu sebagai berikut:
1) Energi spefisik maksimum di hulu sebesar 0.086 m/det dan minimum sebesar 0.024 m/det serta energi spefisik maksimum di hilir sebesar 0.017 m/det dan minimum 0.007 m/det.
2) Kehilangan energi total ( terkecil dengan jumlah 0,013 m/det sebaliknya Kehilangan energi total ( terbesar dengan jumlah 0,071 m/det.
3) Hubungan kehilangan energi dan variasi tinggi ambang ialah makin besar variasi tinggi ambang maka makin tinggi kehilangan energi yang terjadi.
B. Saran
Kami menyadari bahwa penelitian ini jauh dari kesempurnaan, maka dari itu kami menyarankan penelitian ini masih perlu dikaji untuk beberapa kondisi sebagai berikut:
1. Perlu diadakan penelitian yang lebih lanjut dengan variasi tinggi muka air yang lebih banyak, variasi kemiringan dasar saluran yang berpengaruh pada kecepatan serta variasi tinggi ambang dengan menggunakan model ambang yang lain.
2. Dalam 1 pengaliran debit pengaliran (Q) dan variasi tinggi ambang, jumlah ulangan pengukuran setiap variabel yang dibutuhkan dalam penelitian ini dilakukan sebanyak mungkin supaya data yang diperoleh lebih akurat, begitupun semua variasi debit pengaliran (Q) dan variasi tinggi ambang.
45
Alex Binilang., 2010, Karakteristik Parameter Hidrolis Aliran Melalui Ambang Pada Saluran Terbuka. Jurnal Ilmiah Media Engineering. Manado:
Fakultas Teknik Jurusan Teknik Sipil Universitas Sam Ratulangi Manado.
Chow dan Rosalina, 2003, www.ilmusipil.com/pengertian-hidrolika (diakses pada tanggal 10 September 2016 pukul 22.48)
Chow, Ven Te, 1992, “ Hidrolika Saluran Terbuka,” Erlangga, Jakarta.
Darmulia., 2012, Analisis Karateristik Aliran Melalui Saluran Terbuka Menyempit Dengan Variasi Sudut Pada Meja Analogi Hidrolik. Jurnal Ilmiah Vol. 7 No. 13, April 2012 Makassar: Fakultas Teknik Jurusan Mesin Universitas Islam Makassar.
Karnisah Iin., 2010, Hidrolika Terapan (Bagian 2 Aliaran Dalam Saluran Terbuka). Bandung: KBK Teknik Sumber Daya Air Jurusan Teknik Sipil Politeknik Negeri Bandung.
KP-04., 2010. Kriteria Perencanaan-Bangunan Pengatur Debit. Keputusan Direktur Jenderal Pengairan.
Laboratorium Jurusan Teknik Pengairan., 2014, Laporan Hasil Praktikum Laboratorium Hidraulika. Laporan Praktikum. Makassar: Fakultas Teknik Jurusan Teknik Pengairan Universitas Muhammadiyah Makassar.
Lucio Canonica., 2013, Memahami Hidraulika Edisi Revisi. Bandung: CV Angkas.
Mohab.wordpress.com/alat-ukur-ambang-lebar/(sumber : KP Irigasi 04) (diakses pada tanggal 11 September 2016 pukul 15.15)
Ridho Ernandi., 2012. Aliran Fluida. 17 Mei 2012. Online dari http://Ridho- Ernandi/aliran-fluida.html., diakses pada tanggal 29 Oktober 2016, pukul 16:30.
Raju, Rangga, K. G, 1986, Aliran Melalui Saluran Terbuka, Erlangga, Jakarta.
Robert.J.Kodoatie, 2002, “Hidrolika Terapan Aliran Pada Saluran Terbuka dan Pipa,” Andi, Yogyakarta.
web.ipb.ac.id/~erizal/hidrolika/BUKU%20AJAR%20HIDRAULIKA.docx (diakses pada tanggal 10 September 2016 pukul 22.48)
web.ipb.ac.id/~erizal/hidrolika/2%20energi%20spesifik pdf (diakses pada tanggal 11 September 2016 pukul 15.15)
www.academia.edu/7907210/Hidrolika (diakses pada tanggal 11 September 2016 pukul 15.15)
Model Ambang Lebar
y
0P y
3V
HuluV
HilirGambar 1. Sketsa pengambilan data di Laboratorium Tabel 1. Data Hasil Pengamatan di Laboratorium
No. H
(cm) L
(cm) B
(cm) P
(cm) Y0
(cm) Vhulu
(m/dtk) Vhilir
(m/dtk) Y3
1 2 3 4 5 6 7 8 (cm)9
1 1 10 7.5
1 2.4 0.1081 0.2378 0.9
2.4 0.1030 0.2309 0.9 2.4 0.1212 0.2300 0.9
2 3.4 0.0786 0.2456 0.9
3.4 0.0792 0.2456 0.9 3.4 0.0746 0.2414 0.9
3 4.4 0.0576 0.2286 0.9
4.4 0.0605 0.1961 0.9 4.4 0.0586 0.1915 0.7
4 5.4 0.0483 0.1989 0.7
5.4 0.0485 0.2388 0.7 5.4 0.0492 0.2528 0.8
5 6.5 0.0355 0.1478 0.7
6.5 0.0346 0.1659 0.8 6.5 0.0364 0.1830 0.7
2 1.5 10 7.5
1 2.5 0.0746 0.2879 1.2
2.5 0.0744 0.2909 1.2 2.5 0.0747 0.2759 1.2
2 3.6 0.0608 0.3027 1.3
3.6 0.0614 0.2843 1.2 3.6 0.0597 0.2718 1.1
3 4.7 0.0484 0.2835 1.3
4.7 0.0485 0.2894 1.2 4.7 0.0489 0.2786 1.2
4 5.6 0.0454 0.2828 1.1
5.6 0.0462 0.2745 1.1 5.6 0.0435 0.2843 1.1
5 6.9 0.0322 0.2793 1.0
6.9 0.0320 0.2772 1.0 6.9 0.0328 0.2629 1.0
3 2 10 7.5
2.9 0.1142 0.3446 1.4
2 4 0.0813 0.3246 1.4
4 0.0815 0.3425 1.4 4 0.0826 0.3120 1.4
3 4.9 0.0622 0.3246 1.4
4.9 0.0637 0.3415 1.4 4.9 0.0635 0.3094 1.4
4 5.9 0.0620 0.3137 1.4
5.9 0.0639 0.3304 1.4 5.9 0.0641 0.3011 1.4
5 7 0.0630 0.3333 1.3
7 0.0650 0.3404 1.3 7 0.0646 0.3265 1.3
4 2.5 10 7.5
1 3.6 0.1609 0.3944 1.4
3.6 0.1636 0.3556 1.5 3.6 0.1639 0.3972 1.5
2 4.7 0.1435 0.4029 1.4
4.7 0.1440 0.3930 1.4 4.7 0.1351 0.4118 1.5
3 5.7 0.1071 0.3836 1.4
5.7 0.1049 0.4043 1.5 5.7 0.1060 0.3613 1.5
4 6.5 0.1264 0.4259 1.5
6.5 0.1199 0.4029 1.5 6.5 0.1298 0.3836 1.3
5 8 0.0857 0.3758 1.3
8 0.0808 0.4014 1.4 8 0.0854 0.3972 1.4
5 3 10 7.5
1 4.1 0.2152 0.4242 1.6
4.1 0.2276 0.4103 1.6 4.1 0.2089 0.4444 1.6
2 5.1 0.1816 0.5000 1.6
5.1 0.1997 0.5283 1.6 5.1 0.1843 0.5138 1.6
3 6.3 0.2086 0.4726 1.6
6.3 0.1948 0.4956 1.6 6.3 0.1896 0.4706 1.6
4 7.2 0.1251 0.5657 1.6
7.2 0.1336 0.5628 1.6 7.2 0.1331 0.5045 1.6
5 8.6 0.1079 0.4891 1.5
8.6 0.1096 0.4462 1.5 8.6 0.1135 0.4242 1.5
